Methane pyrolysis in preparation of pyrolytic carbon: Thermodynamic and kinetic analysis by density functional theory

The density functional theory has been successfully applied in analyzing pyrolytic carbon deposition by methane pyrolysis from the view of thermodynamics and kinetics based on a total number of 39 elementary reactions. M06-2X/def2-TZVP level was employed to optimize species structures and locate the transition states. The enthalpy changes and Gibbs free energy changes of all the reactions in the temperature range of 298.15–1800 K were derived with optimized species. Results show that the reacting temperature should be above 1200 K based on the equilibrium constant analysis, which is consistent with the typical reaction temperature adopted in experiments. Potential energy surface profiles report that radical attacking reactions have lower energy barriers than those direct decomposition reactions, especially hydrogen radical attacking reactions. The energy barriers of the first steps, dehydrogenations of methane and ethylene, are 272.4 kJ·mol⁻¹ and 288.9 kJ·mol⁻¹ at 1200 K, which are very close to the experimental activation energy for methane pyrolysis. The most favorable decomposition reaction path is the path of hydrogen radical attacking reactions. The highest energy barrier of the path at 1200 K is 185.7 kJ·mol⁻¹ presented by the C–H bond breaking in ethynyl attacked by hydrogen radical.     

地外人工光合成装置研制与试验

原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径，是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器，采用流动反应器设计，用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用，实现CO２向O２和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器，理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响，尚需进行微重力试验进行验证。同时，微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件，获得优化的反应条件。通过地面试验，验证了该反应器将CO２还原为O２和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料，3V电压条件下，O２产率可达11.74mL/h。此外，基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置，形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统，并实现CO２有效转换和O２供给。为后续技术成熟度更高的反应装置研制、高产物选择性的含碳化合物转化以及人工光合成反应装置在轨试验奠定了理论和实践基础。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜，并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面，手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板，研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明，随着碳纳米管薄膜面密度的增加，层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高，当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时，层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳，与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时，会引起树脂浸润困难，导致增韧效果降低。     

酚醛树脂炭的合成及力学性能研究

为了表征多孔炭泡沫材料基体的结构与力学性能,采用碱催化法制备热固性酚醛树脂,经固化、高温炭化处理合成多孔炭泡沫材料的基体——酚醛树脂炭。研究酚醛树脂炭的微观结构、压缩强度及压缩断裂韧性。结果表明:酚醛树脂炭结构以树脂炭基体、微孔和微裂纹为主,其碳元素以sp3杂化的非晶炭形式存在;压缩强度为8.58 MPa,压缩断裂特征为脆性断裂模式;酚醛树脂炭的压缩断裂韧性较差,断裂过程中吸收的总能量为0.135 MJ/m3。     

各向同性热解炭材料中的缺陷分析和超声检测技术

利用偏光金相显微镜和超声探伤仪对高性能机械密封用块体各向同性热解炭材料中的缺陷进行表征和无损检测.偏光显微观察发现,各向同性热解炭材料中的主要缺陷主要包括三种:各向异性夹杂、裂纹和各向同性夹杂.超声实验研究表明,利用脉冲反射法超声波检测技术可有效检出各向同性热解炭制件中存在的上述缺陷.目前该技术已成功地用于各向同性热解...     

高温处理对中密度针刺C/C复合材料性能的影响

针对C/C复合材料脆性问题,对密度为1.60 g/cm3的碳布叠层针刺C/C复合材料进行了1800、2 000、2 200和2 500℃的高温处理,研究了不同热处理温度对C/C复合材料微晶结构、力学和抗热震等性能的影响.结果表明,高温处理使针刺C/C复合材料的层间剪切和面内拉伸强度出现不同程度的降低,但材料的断裂伸长率和抗热震性能得到大幅度提高.其中,1 800℃高温处理后的C/C复合材料具有优异的力学和抗热震性能.     

环状针刺C/C复合材料的压缩性能及破坏机理

以碳纤维针刺毡为预制体,采用CVI致密工艺制作准三维C/C薄壁回转体,具有各向异性的力学性能.本文主要对三个主方向的材料压缩性能及破坏机理进行了研究讨论.结果表明:轴向压缩与环向压缩性能相似具有较高的压缩模量.材料的径向压缩表现为假塑性断裂行为,在材料的断裂面上具有大量纤维及基体碎屑,材料发生剪切破坏及基体压溃破坏.材料的轴向压缩与环向压缩表现为脆性断裂行为,材料主要以分层劈裂方式破坏.     

某型航空活塞发动机曲轴喷油螺钉的维修工艺研究

喷油螺钉是某型航空活塞式发动机曲轴组合中的重要零件，单纯采用超声波清洗难以清除该零件内部积炭。结合生产实践对工艺进行改良，使该零件修理后的抽检合格率由20%提升至70%，缩短了发动机的翻修时间，节约了维修成本。     

国产T700级碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能

采用扫描电子显微镜(SEM)、反气相色谱(IGC)和X射线光电子能谱仪(XPS)对国产T700级碳纤维和东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面能和表面化学特性进行表征,测试两种碳纤维增强双马树脂基复合材料的力学性能,考察国产碳纤维复合材料的界面黏结性能、韧性和湿热性能。结果表明:碳纤维表面特性(表面形貌、表面能和表面化学组成等)对复合材料界面黏结性能具有显著影响;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料在室温下的界面黏结性能优于T700S/QY9611复合材料;国产T700级碳纤维/QY9611复合材料的韧性优异,冲击后压缩强度达到了国外先进复合材料IM7/5250-4的水平;经湿热处理后的层间剪切强度仍与T700S/QY9611复合材料相当,说明国产T700级碳纤维/QY9611复合材料具备良好的湿热性能。     

循环吸湿对炭纤维复合材料界面性能的影响

通过对炭纤维增强复合材料进行70、85、100℃下的循环水浸吸湿试验,研究了复合材料在不同水浸温度下的吸湿-脱湿行为规律。同时,对循环吸湿-脱湿过程中的试样进行层间剪切强度测试和动态力学性能测试,并结合扫描电镜观察循环吸湿各个阶段的纤维基体结合状态。结果表明,水浸温度越高,水分的扩散速率越快,饱和吸湿率越大。经过循环吸湿后复合材料的吸湿行为仍满足Fick第二定律,吸湿后层间剪切强度下降,湿热循环次数越多下降的越明显。脱湿后层间剪切强度有所恢复,水浸温度越高造成的不可逆破坏越大,层间剪切强度恢复的越少。干态时的玻璃化转变温度为231℃,吸湿后下降了37℃。